单例模式-温故而知新-阿里云开发者社区

前言

单例模式，应该是使用频率比较高的一种设计模式了。

关于它，你又了解多少呢？比如：

java和kotlin的实现方式？懒汉饿汉到底啥意思？

饿汉、双重校验、静态内部类模式的分别实现原理？

其中涉及到的类初始化、类锁、线程安全、kotlin语法知识？

静态变量实现单例——饿汉

保证一个实例很简单，只要每次返回同一个实例就可以，关键是如何保证实例化过程的线程安全？

这里先回顾下类的初始化。

在类实例化之前，JVM会执行类加载。

而类加载的最后一步就是进行类的初始化，在这个阶段，会执行类构造器<clinit>方法，其主要工作就是初始化类中静态的变量，代码块。

而<clinit>()方法是阻塞的，在多线程环境下，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()，其他线程都会被阻塞。换句话说，<clinit>方法被赋予了线程安全的能力。

再结合我们要实现的单例，就很容易想到可以通过静态变量的形式创建这个单例，这个过程是线程安全的，所以我们得出了第一种单例实现方法：

private static Singleton singleton = new Singleton();
public static Singleton getSingleton() {
      return singleton;
}

很简单，就是通过静态变量实现唯一单例，并且是线程安全的。

看似比较完美的一个方法，也是有缺点的，就是有可能我还没有调用getSingleton方法的时候，就进行了类的加载，比如用到了反射或者类中其他的静态变量静态方法。所以这个方法的缺点就是有可能会造成资源浪费，在我没用到这个单例的时候就对单例进行了实例化。

在同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一次，一共有六种能够触发类初始化的时机：

1、虚拟机启动时，初始化包含 main 方法的主类；

2、new等指令创建对象实例时

3、访问静态方法或者静态字段的指令时

4、子类的初始化过程如果发现其父类还没有进行过初始化

5、使用反射API 进行反射调用时

6、第一次调用java.lang.invoke.MethodHandle实例时

这种我不管你用不用，只要我这个类初始化了，我就要实例化这个单例，被类比为 饿汉方法。（是真饿了，先实例化出来放着吧，要吃的时候就可以直接吃了）

缺点就是有可能造成资源浪费（到最后，饭也没吃上，饭就浪费了）

但其实这种模式一般也够用了，因为一般情况下用到这个实例的时候才会去用这个类，很少存在需要使用这个类但是不使用其单例的时候。

当然，话不能说绝了，也是有更好的办法来解决这种可能的资源浪费。

在这之前，我们先看看Kotlin的 饿汉实现。

kotlin 饿汉 —— 最简单单例

object Singleton

没了？嗯，没了。

这里涉及到一个kotlin中才有的关键字：object（对象）。

关于object主要有三种用法：

对象表达式

主要用于创建一个继承自某个（或某些）类型的匿名类的对象。

window.addMouseListener(object : MouseAdapter() {
    override fun mouseClicked(e: MouseEvent) { /*……*/ }
    override fun mouseEntered(e: MouseEvent) { /*……*/ }
})

对象声明

主要用于单例。也就是我们今天用到的用法。

object Singleton

我们可以通过Android Studio 的 Show Kotlin Bytecode 功能，看到反编译后的java代码：

public final class Singleton {
   public static final Singleton INSTANCE;
   private Singleton() {
   }
   static {
      Singleton var0 = new Singleton();
      INSTANCE = var0;
   }
}

很显然，跟我们上一节写的饿汉差不多，都是在类的初始化阶段就会实例化出来单例，只不过一个是通过静态代码块，一个是通过静态变量。

伴生对象

类内部的对象声明可以用 companion 关键字标记，有点像静态变量，但是并不是真的静态变量。

class MyClass {
    companion object Factory {
        fun create(): MyClass = MyClass()
    }
}
//使用
MyClass.create()

反编译成Java代码：

public final class MyClass {
   public static final MyClass.Factory Factory = new MyClass.Factory((DefaultConstructorMarker)null);
   public static final class Factory {
      @NotNull
      public final MyClass create() {
         return new MyClass();
      }
      private Factory() {
      }
      // $FF: synthetic method
      public Factory(DefaultConstructorMarker $constructor_marker) {
         this();
      }
   }
}

其原理还是一个静态内部类，最终调用的还是这个静态内部类的方法，只不过省略了静态内部类的名称。

要想实现真正的静态成员需要 @JvmField 修饰变量。

优化饿汉，吃饭的时候再去做饭 —— 最优雅单例

说回正题，即然饿汉有缺点，我们就想办法去解决，有什么办法可以不浪费这个实例呢？也就是达到 按需加载 单例？

这就要涉及到另外一个知识点了，静态内部类的加载时机。

刚才说到类的加载时候，初始化过程只会加载静态变量和代码块，所以是不会加载静态内部类的。

静态内部类是延时加载的，意思就是说只有在明确用到内部类时才加载。只使用外部类时不加载。

根据这个信息，我们就可以优化刚才的 饿汉模式，改成静态内部类模式(java和kotlin版本)：

private static class SingletonHolder {
        private static Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    public static Singleton getSingleton() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

companion object {
        val instance = SingletonHolder.holder
    }
    private object SingletonHolder {
        val holder = SingletonDemo()
    }

同样是通过类的初始化<clinit>()方法保证线程安全，并且在此之上，将单例的实例化过程向后移，移到静态内部类。所以就变成了当调用getSingleton方法的时候才会去初始化这个静态内部类，也就是才会实例化静态单例。

如此一整，这种方法就完美了...吗？好像也有缺点啊，比如我调用getSingleton方法创建实例的时候想传入参数怎么办呢？

可以，但是需要一开始就设置好参数值，无法通过调用getSingleton方法来动态设置参数。比如这样写：

private static class SingletonHolder {
        private static String test="123";
        private static Singleton INSTANCE = new Singleton(test);
    }
    public static Singleton getSingleton() {
        SingletonHolder.test="12345";
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

最终实例化进去的test只会是123，而不是12345。因为只要你开始用到SingletonHolder内部类，单例INSTANCE就会最开始完成了实例化，即使你赋值了test，也是单例实例化之后的事了。

这个就是静态内部类方法的缺点了。如果不用动态传参数，那么这个方法已经足够了。

可以传参的单例 —— 懒汉

如果需要传参数呢？

那就正常写呗，也就是调用getSingleton方法的时候，去判断这个单例是否已存在，不存在就实例化即可。

private static Singleton singleton;
    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }

这个倒是看的很清楚，需要的时候才去创建实例，这样的话就保证了在需要吃饭的时候才去做饭，比较中规中矩的一个做法，但是在饿汉的思维里就会觉得这个人好懒啊，都不先准备好饭。

所以这个方法被称为 懒汉式。

但是这个方法的弊端也是很明显，就是线程不安全，不同线程同时访问getSingleton方法有可能导致对象实例化出错。

所以，加锁。

双重校验的懒汉

加锁怎么加，也是个问题。

首先肯定的是，我们加的锁肯定是类锁，因为要针对这个类进行加锁，保证同一时间只有一个线程进行单例的实例化操作。

那么类锁就有两种加法了，修饰静态方法和修饰类对象：

//方法1，修饰静态方法
    public synchronized static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
//方法2，代码块修饰类对象
    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }

方法2这种方式就是我们常说的双重校验的模式。

比较下两种方式其实区别也就是在这个双重校验，首先判断单例是否为空，如果为空再进入加锁阶段，正常走单例的实例化代码。

那么，为什么要这么做呢？

第一个判断，是为了性能。当这个singleton已经实例化之后，我们再取值其实是不需要再进入加锁阶段的，所以第一个判断就是为了减少加锁。把加锁只控制在第一次实例化这个过程中，后续就可以直接获取单例即可。
第二个判断，是防止重复创建对象。当两个线程同时走到synchronized这里，线程A获得锁，进入创建对象。创建完对象后释放锁，然后线程B获得锁，如果这时候没有判断单例是否为空，那么就会再次创建对象，重复了这个操作。

到这里，看似问题都解决了。

等等，new Singleton()这个实例化过程真的没问题吗？

在JVM中，有一种操作叫做指令重排：

JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，会将指令进行重新排序，但是这种重新排序不会对单线程程序产生影响。

简单的说，就是在不影响最终结果的情况下，一些指令顺序可能会被打乱。

再看看在对象实例化中的指令主要有这三步操作：

1、分配对象内存空间
2、初始化对象
3、instance指向刚分配的内存地址

如果我们将第二步和第三步重排一下，结果也是不影响的：

1、分配对象内存空间
2、instance指向刚分配的内存地址
3、初始化对象

这种情况下，就有问题了：

当线程A进入实例化阶段，也就是new Singleton()，刚完成第二步分配好内存地址。这时候线程B调用了getSingleton()方法，走到第一个判空，发现不为空，返回单例，结果用的时候就有问题了，对象都没有初始化完成。

这就是指令重排有可能导致的问题。

所以，我们需要禁止指令重排，volatile 登场。

volatile 主要有两个特性：

可见性。也就是写操作会对其他线程可见。
禁止指令重排。

所以再加上volatile 对变量进行修饰，这个双重校验的单例模式也就完整了。

private volatile static Singleton singleton;

kotlin 版本双重校验

//不带参数
class Singleton private constructor() {
    companion object {
        val instance: Singleton by lazy(mode = LazyThreadSafetyMode.SYNCHRONIZED) {
        Singleton() }
    }
}
//带参数
class Singleton private constructor(private val context: Context) {
    companion object {
        @Volatile private var instance: Singleton? = null
        fun getInstance(context: Context) =
                instance ?: synchronized(this) {
                    instance ?: Singleton(context).apply { 
                     instance = this 
                    }
                }
    }
}

诶？不带参数的这个写法也太简便了点吧？Volatile也没有了？确定没问题？

没问题，奥秘就在这个延迟属性lazy(mode = LazyThreadSafetyMode.SYNCHRONIZED)中，我们进去瞧瞧：

public actual fun <T> lazy(mode: LazyThreadSafetyMode, initializer: () -> T): Lazy<T> =
    when (mode) {
        LazyThreadSafetyMode.SYNCHRONIZED -> SynchronizedLazyImpl(initializer)
        LazyThreadSafetyMode.PUBLICATION -> SafePublicationLazyImpl(initializer)
        LazyThreadSafetyMode.NONE -> UnsafeLazyImpl(initializer)
    }
private class SynchronizedLazyImpl<out T>(initializer: () -> T, lock: Any? = null) : Lazy<T>, Serializable {
    private var initializer: (() -> T)? = initializer
    @Volatile private var _value: Any? = UNINITIALIZED_VALUE
    // final field is required to enable safe publication of constructed instance
    private val lock = lock ?: this
    override val value: T
        get() {
            val _v1 = _value
            if (_v1 !== UNINITIALIZED_VALUE) {
                @Suppress("UNCHECKED_CAST")
                return _v1 as T
            }
            return synchronized(lock) {
                val _v2 = _value
                if (_v2 !== UNINITIALIZED_VALUE) {
                    @Suppress("UNCHECKED_CAST") (_v2 as T)
                } else {
                    val typedValue = initializer!!()
                    _value = typedValue
                    initializer = null
                    typedValue
                }
            }
        }

看到了吧，其实内部还是用到了Volatile + synchronized 双重校验。

总结

今天和大家回顾了下单例模式，希望大家能有温故而知新的收获。

参考

https://www.kotlincn.net/docs/reference/object-declarations.html

单例模式-温故而知新

前言

静态变量实现单例——饿汉

kotlin 饿汉 —— 最简单单例

优化饿汉，吃饭的时候再去做饭 —— 最优雅单例

可以传参的单例 —— 懒汉

双重校验的懒汉

kotlin 版本双重校验

总结

参考

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